JPH03195963A - Electrochemical gas sensor element - Google Patents

Electrochemical gas sensor element

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JPH03195963A
JPH03195963A JP1337712A JP33771289A JPH03195963A JP H03195963 A JPH03195963 A JP H03195963A JP 1337712 A JP1337712 A JP 1337712A JP 33771289 A JP33771289 A JP 33771289A JP H03195963 A JPH03195963 A JP H03195963A
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JP
Japan
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substrate
solid electrolyte
water
electrolyte layer
electrodes
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JP1337712A
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Japanese (ja)
Inventor
▲ど▼井 謙之
Kaneyuki Doi
Ayumi Yasuda
歩 安田
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

PURPOSE:To exhibit a stable performance by adding a solid electrolyte in a substrate composed of a porous material, providing a plurality of electrodes on the same surface of the substrate, providing a solid electrolyte layer while covering the electrodes and spaces therebetween and bringing part of the substrate into contact with water. CONSTITUTION:A working electrode 20 and a counter electrode 30 both com posed of platinum and a reference electrode 40 composed of gold are formed on the surface of a substrate 10 by a sputtering method. A 30 mum thick solid electrolyte layer 50 is formed by casting a perfluorosulfonate polymer solution over the electrodes 20, 30 and 40. The resultant substrate 10 is fixedly mounted on a supporter 60 made of an acrylic resin and assembled so that one end of the substrate 10 is soaked in water 80 in a water reservoir 70. The substrate 10 sucks up the water 80 in the water reservoir 70 at one end and keeps a solid electrolyte in the substrate 10 at a constant moisture content. At the same time, the substrate supplies the inside of the solid electrolyte layer 50 with water via a contact portion between the substrate 10 and the solid electro lyte layer 50 to keep also the moisture content of the electrolyte layer 50 con stant.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電気化学ガスセンサ素子に関し、詳しくは
、電気化学反応を利用して、大気中のガス等を検出する
機能を発揮させるガスセンサ素子に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to an electrochemical gas sensor element, and more particularly, to a gas sensor element that utilizes an electrochemical reaction to exhibit a function of detecting gas, etc. in the atmosphere. It is something.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

電気化学反応を利用°したガスセンサ素子の基本的な構
造としては、複数の電極をイオン伝導体すなわち電解質
でつないで、電気化学的な反応を起こさせるようになっ
ている。
The basic structure of a gas sensor element that utilizes an electrochemical reaction is to connect a plurality of electrodes with an ion conductor, that is, an electrolyte, to cause an electrochemical reaction.

イオン伝導体の材料としては、従来、液体電解質やゲル
状電解質を用いていたが、液漏れや溶媒の蒸発が生じる
ために、素子の耐久性や信頼性に劣るという問題があっ
た。このような問題点を解決するために、無機あるいは
有機の固体電解質を用いたガスセンサ素子の開発が進め
られた。
Conventionally, liquid electrolytes or gel electrolytes have been used as materials for ion conductors, but these have had the problem of poor device durability and reliability due to liquid leakage and solvent evaporation. In order to solve these problems, progress has been made in the development of gas sensor elements using inorganic or organic solid electrolytes.

無機物の固体電解質としては、β−アルミナ、ナシコン
、リシコン、安定化ジルコニア等がある。しかし、これ
らの無機物からなる固体電解質では、常温におけるイン
ピーダンスが高いため、常温ではイオンが伝導し難い状
態にある。したがって、一般には、加熱してインピーダ
ンスが低い状態にして利用するが、このことはガスセン
サ素子の消費電力が大きくなることを意味しており、実
用上好ましくない。
Examples of the inorganic solid electrolyte include β-alumina, Nasicon, Risicon, and stabilized zirconia. However, solid electrolytes made of these inorganic substances have high impedance at room temperature, and therefore are in a state where it is difficult for ions to conduct thereat at room temperature. Therefore, in general, the gas sensor element is heated to have a low impedance before use, but this means that the power consumption of the gas sensor element increases, which is not practical.

有機物の固体電解質としては、ポリスチレンスルホネー
ト、ポリビニルスルボネート、パーフルオロスルホネー
トポリマー、パーフルオロカルボキシレートポリマー等
のカチオン交換樹脂に属するポリマーがある。これらの
樹脂のうち、パーフルオロスルホネートボリマーが、実
用的に最も通したものとして広く使用されており、例え
ば、ナフィオン(商標名、デュポン社製)と呼ばれるも
のがある。
Examples of organic solid electrolytes include polymers belonging to cation exchange resins such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer, and perfluorocarboxylate polymer. Among these resins, perfluorosulfonate polymers are widely used as the most practical ones, and for example, there is one called Nafion (trade name, manufactured by DuPont).

上記パーフルオロスルホネートポリマーが好ましい理由
は、カチオンの解離度が大きいこと、すなわちインピー
ダンスが小さいこと、あるいは、熱的、電気化学的に比
較的安定あること等である。また、パーフルオロスルホ
ネートポリマーは、溶媒に可溶であるため、溶液をキャ
スティングすることによって、絶縁基板や電極の上に容
易にパーフルオロスルホネートポリマーからなる固体電
解質層を形成することができる。このことは、ガスセン
サ素子の製造が容易であることを意味している。
The reason why the perfluorosulfonate polymer is preferable is that it has a large degree of cationic dissociation, that is, has a small impedance, or is relatively stable thermally and electrochemically. Further, since the perfluorosulfonate polymer is soluble in a solvent, a solid electrolyte layer made of the perfluorosulfonate polymer can be easily formed on an insulating substrate or an electrode by casting a solution. This means that the gas sensor element is easy to manufacture.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ところが、上記のようなパーフルオロスルホネートポリ
マーの物性値は、湿度によって大きく変化することが知
られている。パーフルオロスルホネートポリマーのイン
ピーダンスやガス透過性等の物性値はガスセンサの感度
に大きな影響を与えるため、前記物性値の湿度依存性は
そのまま感度の湿度依存性となって表れる。このような
感度の湿度依存性を、検出信号を処理する電気回路等で
補正するのは、コストがかかるため望ましくなく、パー
フルオロスルホネートポリマーの物性値の湿度依存性を
改善することが望まれている。
However, it is known that the physical properties of perfluorosulfonate polymers as described above vary greatly depending on humidity. Since physical property values such as impedance and gas permeability of the perfluorosulfonate polymer have a large influence on the sensitivity of the gas sensor, the humidity dependence of the physical property values directly appears as the humidity dependence of the sensitivity. It is undesirable to correct the humidity dependence of the sensitivity using an electric circuit that processes the detection signal because it is costly, and it is desirable to improve the humidity dependence of the physical properties of perfluorosulfonate polymers. There is.

パーフルオロスルホネートポリマーの物性値の湿度依存
性は、湿度変化に伴うパーフルオロスルホネートポリマ
ーの含水率の変化に起因している。すなわち、含水率が
高いとインピーダンスが小さくガス透過性も良くなり、
ガスセンサ用の固体電解質として通した状態にある。し
たがって、パーフルオロスルホネートポリマーを常に含
水率が高い状態に保てば、前記した各物性値をガスセン
サ用の固体電解質として通した状態に保て、ガスセンサ
素子の感度の湿度依存性が解消されることになる。
The humidity dependence of the physical properties of perfluorosulfonate polymers is due to changes in the water content of the perfluorosulfonate polymers as the humidity changes. In other words, the higher the water content, the lower the impedance and the better the gas permeability.
It is used as a solid electrolyte for gas sensors. Therefore, if the perfluorosulfonate polymer is always kept in a high water content state, the above-mentioned physical properties can be maintained as a solid electrolyte for gas sensors, and the humidity dependence of the sensitivity of the gas sensor element can be eliminated. become.

このような湿度依存性の問題は、上記パーフルオロスル
ホネートポリマー以外の固体電解質でも同様に起こる。
Such humidity-dependent problems similarly occur with solid electrolytes other than the above-mentioned perfluorosulfonate polymer.

そこで、この発明の課題は、パーフルオロスルホネート
ポリマー等の固体電解質の利点を活かしながら、これら
の固体電解質の物性値の湿度依存性を抑え、感度の湿度
依存性が少なく、安定した性能を発揮できる電気化学式
ガスセンサを提供することにある。
Therefore, the objective of this invention is to take advantage of the advantages of solid electrolytes such as perfluorosulfonate polymers while suppressing the humidity dependence of the physical properties of these solid electrolytes, so that sensitivity can be less dependent on humidity and exhibit stable performance. An object of the present invention is to provide an electrochemical gas sensor.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記課題を解決する、この発明の電気化学式ガスセンサ
素子は、多孔体からなる基板の内部に固体電解質が含ま
れ、基板の同一面上に複数の電極が設けられ、各種およ
びその間を覆って固体電解質層が設けられ、基板の一部
を水に接触させるようにして用いられる。
The electrochemical gas sensor element of the present invention, which solves the above problems, includes a solid electrolyte inside a substrate made of a porous body, a plurality of electrodes are provided on the same surface of the substrate, and the solid electrolyte covers each type and between them. A layer is provided and used in such a way that a portion of the substrate is in contact with water.

基板としては、セルロースフィルターやガラスクロス等
、各種の無機物や有機物のうち、微細な孔もしくは隙間
を有する、いわゆる多孔質材料および繊維材料等をも含
む、広義の多孔体が用いられる。すなわち、この発明で
は、後述するように、毛細管現象によって水を吸い込む
吸水性と、ガス分子が通過して電極まで到達できる程度
のガス透過性とを有する程度の孔もしくは隙間を有する
材料であればよいのである。基板には、内部に後述する
固体電解質を含ませておく。固体電解質は適当な溶媒に
熔解した溶液の状態で基板に含ませるようにすればよい
As the substrate, porous bodies in a broad sense are used, including so-called porous materials and fibrous materials having minute pores or gaps among various inorganic and organic materials, such as cellulose filters and glass cloths. That is, in the present invention, as will be described later, any material can be used as long as it has pores or gaps that have water absorbency to suck water through capillary action and gas permeability to the extent that gas molecules can pass through and reach the electrode. It's good. The substrate contains a solid electrolyte to be described later. The solid electrolyte may be contained in the substrate in the form of a solution dissolved in a suitable solvent.

電極としては、通常、白金や金等からなる作用極、対極
および参照極の3種類の電極が、基板の同一面上に並べ
て設けられるが、各種の具体的構造や配置は、通常の電
気化学式ガスセンサと同様のものが自由に用いられる。
Three types of electrodes, a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode made of platinum, gold, etc., are usually arranged side by side on the same surface of the substrate, but the specific structures and arrangements of each type are based on the usual electrochemical formula. Something similar to a gas sensor is freely available.

基板に含ませる固体電解質および電極を覆う固体電解質
層の材料としては、前記したポリスチレンスルホネート
、ポリビニルスルホネート、パーフルオロスルホネート
ポリマー、パーフルオロカルボキシレートポリマー等、
通常の電気化学式ガスセンサにおける固体電解質層の材
料と同様の材料が用いられる。
Materials for the solid electrolyte included in the substrate and the solid electrolyte layer covering the electrodes include the aforementioned polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer, perfluorocarboxylate polymer, etc.
The same material as that of the solid electrolyte layer in a normal electrochemical gas sensor is used.

固体電解質層は、前記各電極の上およびその間を覆って
、イオン伝導を良好に行えれば、その配首形状や厚み等
は任意に設定できる。この発明では、検出すべきガス成
分は、多孔体からなる基板を通過して電極に到達するの
で、固体電解質層は電気化学反応におけるイオン伝導体
としての役目を果たすだけでよい。したがって、従来の
電気化学式ガスセンサのように、ガス透過性を良好にす
るために固体電解質層の厚みを薄く形成するようなこと
は不要であり、イオン伝導を良好にするために、比較的
分厚い固体電解質層を形成しておくほうが好ましい。具
体的には、固体電解質層の種類によっても違うが、約3
0pm以上の厚みに形成するのが好ましい。固体電解質
層が30pm以上あると、ガス成分は固体電解質層をほ
とんど通過できず、電極へのガス成分の到達は、はとん
ど多孔体からなる基板側から行われるようになる。
The solid electrolyte layer can cover the electrodes and between them, and its neck shape, thickness, etc. can be arbitrarily set as long as it can conduct ions well. In this invention, the gas component to be detected passes through the porous substrate and reaches the electrode, so the solid electrolyte layer only needs to serve as an ion conductor in the electrochemical reaction. Therefore, unlike conventional electrochemical gas sensors, it is not necessary to form a thin solid electrolyte layer to improve gas permeability. It is preferable to form an electrolyte layer. Specifically, it varies depending on the type of solid electrolyte layer, but about 3
It is preferable to form it to a thickness of 0 pm or more. When the solid electrolyte layer has a thickness of 30 pm or more, gas components hardly pass through the solid electrolyte layer, and most of the gas components reach the electrodes from the porous substrate side.

基板の一部を水に接触させるには、基板に隣接して貯水
槽を設けておけばよい。貯水槽は、各種の樹脂やセラミ
ック、ガラス等からなり、固体電解質の含水率を一定に
保つのに必要な量の水を蓄えておけるような容器状に形
成される。貯水槽は、前記基板に隣接する位置に設けら
れ、基板の一部が貯水槽の内部に収容された水と接触す
るように配置しておく。貯水槽以外の水の保持手段を設
けておいてもよい。
In order to bring a portion of the substrate into contact with water, a water reservoir may be provided adjacent to the substrate. The water tank is made of various resins, ceramics, glass, etc., and is formed into a container shape that can store the amount of water necessary to keep the water content of the solid electrolyte constant. The water tank is provided at a position adjacent to the substrate, and is arranged so that a part of the substrate comes into contact with water contained inside the water tank. Water holding means other than a water tank may be provided.

〔作  用〕[For production]

吸水体からなる基板の一部が水と接触していると、水は
毛細管現象により基板内部に吸い込まれて、基板全体に
拡がる。環境湿度の変化等で、固体電解質層に含まれる
水分が蒸発すると、基板に吸水されている水分が、基板
と固体電解質層との接触部分から固体電解質層に供給さ
れるので、固体電解質層の含水率は一定に保たれる。基
板には水が逐次補給されるので、固体電解質層の含水率
は長期間にわたって一定の水準を保たれ、固体電解質層
をイオン伝導等に通した高含水状態に維持することがで
きる。
When a portion of the substrate made of a water absorbing material is in contact with water, water is drawn into the substrate by capillary action and spreads over the entire substrate. When the moisture contained in the solid electrolyte layer evaporates due to changes in environmental humidity, etc., the moisture absorbed by the substrate is supplied to the solid electrolyte layer from the contact area between the substrate and the solid electrolyte layer. Moisture content remains constant. Since the substrate is successively replenished with water, the water content of the solid electrolyte layer is maintained at a constant level over a long period of time, and the solid electrolyte layer can be maintained in a high water content state through ionic conduction or the like.

多孔体からなる基板に固体電解質を含んでいるので、ガ
ス成分は、基板の表面から、多孔体の孔や隙間を容易に
通過して内部の固体電解質に拡散して電極まで到達でき
ることになる。そのため、従来の電気化学式ガスセンサ
のように、電極を覆う固体電解質層を透過してガス成分
を電極まで到達させなくてもよい。したがって、固体電
解質層は、イオン伝導のみを果たせばよくなるので、固
体電解質層の厚みを分厚くして、イオン伝導を良好に行
わせることが可能になる。
Since the porous substrate contains the solid electrolyte, gas components can easily pass through the pores and gaps of the porous body from the surface of the substrate, diffuse into the solid electrolyte inside, and reach the electrodes. Therefore, unlike conventional electrochemical gas sensors, there is no need for gas components to reach the electrodes by passing through a solid electrolyte layer covering the electrodes. Therefore, since the solid electrolyte layer only needs to perform ion conduction, it becomes possible to increase the thickness of the solid electrolyte layer and thereby perform ion conduction favorably.

上記作用を詳しく説明すると、電気化学式ガスセンサは
、ガス成分が作用極と電解質との界面で電気化学反応を
起こすことによって、ガス成分を検出できるようになっ
ている。したがって、ガスセンサの感度を高(するには
、作用極と電解質の界面へ、より多くのガス成分を到達
させれば良いことになる。そのためには、作用極を覆う
固体電解質の厚みは出来るだけ薄いほうがよい。ところ
が、作用極と電解質との界面における電気化学反応で生
成されたイオンが対極まで伝導されて、初めて検出電流
が流れるので、この作用極と対極の間のイオン伝導も良
好にしなければならない。固体電解質におけるイオン伝
導を良好にするには、固体電解質の厚みを分厚くしなけ
ればならない。
To explain the above operation in detail, the electrochemical gas sensor is capable of detecting gas components by causing an electrochemical reaction between the gas components at the interface between the working electrode and the electrolyte. Therefore, in order to increase the sensitivity of the gas sensor, it is necessary to allow more gas components to reach the interface between the working electrode and the electrolyte.To achieve this, the thickness of the solid electrolyte covering the working electrode must be reduced as much as possible. The thinner the electrode, the better.However, since the detection current flows only after the ions generated by the electrochemical reaction at the interface between the working electrode and the electrolyte are conducted to the counter electrode, the ion conduction between the working electrode and the counter electrode must also be good. In order to improve ion conduction in a solid electrolyte, the thickness of the solid electrolyte must be increased.

すなわち、前記したように、ガス成分の作用極への到達
すなわちガス透過率を良くするには、固体電解質の厚み
薄くしなければならず、作用極から対極へのイオン伝導
を良好にするには、固体電解質の厚みを厚くしなければ
ならないという、互いに矛盾する要求がある。
That is, as mentioned above, in order to improve the gas components reaching the working electrode, that is, to improve the gas permeability, the thickness of the solid electrolyte must be made thin, and in order to improve the ion conduction from the working electrode to the counter electrode. There are mutually contradictory demands that the thickness of the solid electrolyte must be increased.

しかし、この発明では、固体電解質を含む多孔体からな
る基板が、ガス成分を良好に透過させて電極へと到達さ
せる作用を果たし、固体電解質層は、イオン伝導のみを
果たせばよくなるので、固体電解質層をイオン伝導を良
好にできるような充分な厚みに形成しておくことが可能
になるのである。
However, in this invention, the substrate made of a porous body containing a solid electrolyte has the effect of allowing gas components to pass through well and reach the electrodes, and the solid electrolyte layer only needs to perform ion conduction. This makes it possible to form the layer sufficiently thick to provide good ion conduction.

〔実 施 例〕〔Example〕

ついで、この発明の実施例について、図面を参照しなが
ら以下に詳しく説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図および第2図に示すように、セルロースフィルタ
ー等の多孔体からなる基板10の表面に、白金や金その
他の電極材料からなる作用極20、対極30および参照
極40の3本の電極が形成されている。電極の成形手段
は、メツキや蒸着等、通常の金属薄膜形成手段が採用さ
れる。各種20・・・の上およびその間を覆って、パー
フルオロスルホネートポリマー等からなる固体電解質層
5゜が形成されている。各種20・・・の一端は、固体
電解質層50の外部まで延長されて露出しており、外部
回路への接続用端子部22,32.42となっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, three electrodes, a working electrode 20, a counter electrode 30, and a reference electrode 40, made of platinum, gold, or other electrode materials are placed on the surface of a substrate 10 made of a porous material such as a cellulose filter. is formed. As a method for forming the electrode, a conventional metal thin film forming method such as plating or vapor deposition is employed. A solid electrolyte layer 5° made of perfluorosulfonate polymer or the like is formed to cover the various parts 20 and between them. One end of each type 20 is extended and exposed to the outside of the solid electrolyte layer 50, and serves as a terminal portion 22, 32, 42 for connection to an external circuit.

基板IOには、前記固体電解質層50の材料と同様の固
体電解質が含まれている。但し、基板10に含ませる固
体電解質の量は、電極と固体電解質の界面において電気
化学反応が行えれば、ガス成分の透過を阻害しないよう
に出来るだけ少ないほうがよく、わずかな量で充分であ
る。基板10は、プラスチック等からなる枠状の支持台
60の上に設けられている。基板10を支持台60の上
に設けておくことによって、ガス成分が基板10の下面
から基板IO内に入れるようになっている。基板10の
一側辺に隣接して、細長い溝状の貯水槽70が設けられ
ている。貯水槽70は、プラスチック等で形成されてい
る。図示した実施例では、貯水槽70の一方の壁面を前
記支持台60で兼用させている。貯水槽70の内部には
水80が蓄えられている。基板10の一辺が直角下方に
曲げられ、先端11が貯水槽70の水80内に挿入され
ている。
The substrate IO includes a solid electrolyte similar to the material of the solid electrolyte layer 50. However, the amount of solid electrolyte included in the substrate 10 should be as small as possible so as not to inhibit the permeation of gas components, as long as an electrochemical reaction can occur at the interface between the electrode and the solid electrolyte, and a small amount is sufficient. . The substrate 10 is provided on a frame-shaped support 60 made of plastic or the like. By providing the substrate 10 on the support 60, gas components can enter the substrate IO from the bottom surface of the substrate 10. Adjacent to one side of the substrate 10, an elongated groove-shaped water tank 70 is provided. The water tank 70 is made of plastic or the like. In the illustrated embodiment, one wall surface of the water storage tank 70 is also used as the support stand 60. Water 80 is stored inside the water tank 70. One side of the substrate 10 is bent downward at a right angle, and the tip 11 is inserted into water 80 in a water tank 70.

以上のような構造を有するガスセンサのセンサ作用を説
明する。ガス成分は、第1図に矢印で示すように、基板
10の表面から基板lO内を透過し、作用極20に到達
して電気化学反応を起こす。対極30では、上記反応と
対になる反応が起きる。その結果、作用極20と対極3
0の間に検知電流が流れて、ガス成分の検知および定量
が行えるのである。参照極40は、作用極20の電位を
一定に維持するための基準としての機能を果たす固体電
解質Jii50は、作用極20と対極30との間のイオ
ン伝導を果たしている。すなわち、前記したように、基
板10に含まれている固体電解質はわずかであるため、
この固体電解質だけでは、電極間のインピーダンスが非
常に高く、電極における電気化学反応で生成されたイオ
ンが伝導できない。しかし、電極20・・・の−面が分
厚い固体電解質層50で覆われていれば、この固体電解
質層50を通して良好なイオン伝導が行えるのである。
The sensor action of the gas sensor having the above structure will be explained. As shown by arrows in FIG. 1, the gas components permeate through the substrate 10 from the surface of the substrate 10, reach the working electrode 20, and cause an electrochemical reaction. At the counter electrode 30, a reaction opposite to the above reaction occurs. As a result, the working electrode 20 and the counter electrode 3
A detection current flows during the zero period, and gas components can be detected and quantified. The reference electrode 40 serves as a reference for maintaining the potential of the working electrode 20 constant. The solid electrolyte Jii 50 performs ion conduction between the working electrode 20 and the counter electrode 30. That is, as described above, since the solid electrolyte contained in the substrate 10 is small,
With this solid electrolyte alone, the impedance between the electrodes is extremely high, and ions generated by electrochemical reactions at the electrodes cannot be conducted. However, if the negative side of the electrodes 20 is covered with a thick solid electrolyte layer 50, good ion conduction can be achieved through this solid electrolyte layer 50.

なお、固体電解質層50は、イオン伝導を良好にするた
めに30.n以上の厚みに形成されており、固体電解質
層50の表面側から作用極20へのガスの透過はほとん
どない。
Note that the solid electrolyte layer 50 has a thickness of 30. It is formed to have a thickness of n or more, and there is almost no gas permeation from the surface side of the solid electrolyte layer 50 to the working electrode 20.

固体電解質を含む多孔体からなる基板10は、一端から
貯水槽70の水80を吸い上げ、基板10内の固体電解
質を一定の含水率に保つとともに、基板IOと固体電解
質層50との接触部分から固体電解質層50内に水分を
供給して、固体電解質層50の含水率をも一定に保つ。
The substrate 10 made of a porous body containing a solid electrolyte sucks up water 80 from the water storage tank 70 from one end to keep the solid electrolyte in the substrate 10 at a constant water content, and also absorbs water 80 from the contact portion between the substrate IO and the solid electrolyte layer 50. Moisture is supplied into the solid electrolyte layer 50 to keep the water content of the solid electrolyte layer 50 constant.

ついで、上記した構造の電気化学式ガスセンサの具体的
実施例について詳しく説明する。
Next, specific examples of the electrochemical gas sensor having the above structure will be described in detail.

一実施例1一 基板lOの材料として、孔径0.2 pmのセルロース
フィルターを用いた。このセルロースフィルターをガラ
ス板上に固定し、その上にパーフルオロスルホネートポ
リマー溶液をキャスティングした。キャスティング量は
、パーフルオロスルホネートポリマー流重量%を含む溶
液を、セルロースフィルター1cj当たり10.crj
!用いた。これを24時間自然乾燥させた後、ガラス板
から剥がし、所定の素子サイズに切り出した。
Example 1 A cellulose filter with a pore size of 0.2 pm was used as the material for the substrate IO. This cellulose filter was fixed on a glass plate, and a perfluorosulfonate polymer solution was cast onto it. The casting amount is 10.5% of the solution containing perfluorosulfonate polymer flow weight % per cj of cellulose filter. crj
! Using. After air drying this for 24 hours, it was peeled off from the glass plate and cut into a predetermined element size.

このようにして製造された基板10の表面に、スパッタ
リング法で、白金からなる作用極20゜対極30、およ
び、金からなる参照極40を形成した。これらの電極2
0・・・を覆って、前記同様のパーフルオロスルホネー
トポリマー溶液をキャスティングして、厚さ30tt−
の固体電解質層50を形成した。これをアクリル製の支
持台60の上に固定し、セルロースフィルターからなる
基板lOの一端が貯水槽70の水80に浸かるように組
み立てた。
A working electrode 20° and a counter electrode 30 made of platinum and a reference electrode 40 made of gold were formed on the surface of the substrate 10 thus manufactured by sputtering. These electrodes 2
0... by casting the same perfluorosulfonate polymer solution as above to a thickness of 30tt-
A solid electrolyte layer 50 was formed. This was fixed on an acrylic support 60 and assembled so that one end of the substrate IO made of a cellulose filter was immersed in water 80 in a water tank 70.

このようにして製造されたセンサ素子のガスセンサ機能
を確認するために、COガスに対するガス感度を測定し
た。第3図に試験装置を示している。測定用チェンバー
90内にセンサ素子を置き、各電極20・・・の端子部
22・・・をリード線9Iでポテンショスタンド92に
接続した。ポテンショスタット92にはレコーダ93が
接続されている上記のような試験装置を用い、作用極2
oと参照極40の間の印加電圧を0.45Vに維持した
In order to confirm the gas sensor function of the sensor element manufactured in this manner, the gas sensitivity to CO gas was measured. Figure 3 shows the test equipment. The sensor element was placed in a measurement chamber 90, and the terminal portions 22 of each electrode 20 were connected to a potentiometer stand 92 with a lead wire 9I. Using the above-mentioned testing device in which the recorder 93 is connected to the potentiostat 92, the working electrode 2
The applied voltage between o and reference electrode 40 was maintained at 0.45V.

チェンバー90内の雰囲気を、空気のみの状態からCO
ガス11000ppを含む空気に置き換えたときに、作
用極20と対極3oの間に流れる電流を測定した。なお
、比較のために、この発明にがかる実施例のセンサ素子
と別に、シリコン基板の上に形成された電極を、厚さ3
μ層のパーフルオロスルホネートポリマーからなる固体
電解質層で覆っただけの、従来構造のセンサ素子も製造
しζ、同様の測定を行った。
The atmosphere inside the chamber 90 changes from air only to CO2.
The current flowing between the working electrode 20 and the counter electrode 3o was measured when the air was replaced with air containing 11000 pp of gas. For comparison, apart from the sensor element of the embodiment according to the present invention, an electrode formed on a silicon substrate with a thickness of 3
A sensor element with a conventional structure, simply covered with a solid electrolyte layer consisting of a μ layer of perfluorosulfonate polymer, was also fabricated and similar measurements were performed.

第4図に測定結果を示しており、グラフ中で、出力電流
の変化がCOガスに対するセンサ感度を示している。グ
ラフから明らかなように、この発明の実施例の場合、比
較例に比べてはるかに高いセンサ感度を有していること
が判る。
The measurement results are shown in FIG. 4, and in the graph, the change in output current indicates the sensor sensitivity to CO gas. As is clear from the graph, it can be seen that the example of the present invention has a much higher sensor sensitivity than the comparative example.

つぎに、センサ感度の湿度依存性を評価するために、環
境湿度を種々変更して同様の測定を行った。その結果を
第5図に示している。
Next, in order to evaluate the humidity dependence of sensor sensitivity, similar measurements were performed with various environmental humidity changes. The results are shown in FIG.

この結果をみれば、比較例の場合には、湿度の違いによ
って出力電流の大幅な変動があるのに対し、この発明の
実施例では、出力電流の変動がほとんどないことが判る
。したがって、この発明によれば、湿度依存性が極めて
少なく、性能の安定したガスセンサ素子を提供できるこ
とが実証できた。
Looking at the results, it can be seen that in the case of the comparative example, there is a large variation in the output current due to the difference in humidity, whereas in the example of the present invention, there is almost no variation in the output current. Therefore, according to the present invention, it has been demonstrated that a gas sensor element with extremely low humidity dependence and stable performance can be provided.

実施例2− 前記実施例1において、基ttloの材料としてガラス
クロスを用いた以外は、実施例1と同様の工程を経てセ
ンサ素子を製造した。
Example 2 A sensor element was manufactured through the same steps as in Example 1 except that glass cloth was used as the material for the base ttlo.

このようにして製造されたセンサ素子に対しても、前記
同様のガス感度の湿度依存性測定を行った。その結果を
第5図に示しており、実施例2の場合は、実施例1より
は少し劣るが、比較例に比べれば、はるかに湿度依存性
が少なく、安定した性能を発揮できることが実証された
The humidity dependence of gas sensitivity was also measured in the same way as above for the sensor element manufactured in this manner. The results are shown in Figure 5, and it was demonstrated that although Example 2 was slightly inferior to Example 1, it was much less dependent on humidity and could exhibit stable performance compared to Comparative Example. Ta.

[発明の効果〕 以上に述べた、この発明にかかる電気化学式ガスセンサ
素子によれば、多孔体からなる基板の一端が水と接触し
ているので、水が基板に吸い込まれて、基板全体の固体
電解質の含水率を一定に保つとともに、基板との接触部
分を通して固体電解質層にも水分を供給して、固体電解
質層の含水力を一定に保つことができる。その結果、ガ
スセンサ素子の湿度依存性が無くなり、外部環境の変化
に関わらず、常に一定のセンサ感度を有するものとなり
、安定した性能を発揮できることになる。
[Effects of the Invention] According to the electrochemical gas sensor element according to the present invention as described above, one end of the substrate made of a porous body is in contact with water, so water is sucked into the substrate and the solid state of the entire substrate is In addition to keeping the water content of the electrolyte constant, water can also be supplied to the solid electrolyte layer through the contact portion with the substrate, so that the water content of the solid electrolyte layer can be kept constant. As a result, the humidity dependence of the gas sensor element is eliminated, the sensor always has a constant sensitivity regardless of changes in the external environment, and stable performance can be achieved.

湿度依存性を無くすために電気回路等で出力電流を補正
するような手段がいらないため、センサ全体の製造コス
トが安価になる。
Since there is no need to correct the output current using an electric circuit or the like in order to eliminate humidity dependence, the manufacturing cost of the entire sensor is reduced.

また、ガス成分が、固体電解質を含む多孔体からなる基
板の表面から基板を透過して電極に到達し、固体電解質
層では・イオン伝導のみを果たせばよいので、電極への
ガスの到達性能を阻害することなく、固体電解質層の厚
みを分厚(してイオン伝導を良好に行わせることができ
る結果、センサ素子のガス感度を高めることができる。
In addition, gas components pass through the substrate surface from the surface of the substrate, which is made of a porous material containing a solid electrolyte, and reach the electrodes, and the solid electrolyte layer only needs to perform ionic conduction, so the performance of the gas reaching the electrodes is improved. As a result, the solid electrolyte layer can be made thicker so that ion conduction can be carried out favorably without hindering the gas sensitivity of the sensor element.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の実施例を示す断面図、第2図は平面
図、第3図は感度測定装置の概略構成図、第4図は感度
測定結果を示すグラフ図、第5図は湿度依存性評価試験
の測定結果を示すグラフ図である。
Fig. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a plan view, Fig. 3 is a schematic configuration diagram of a sensitivity measuring device, Fig. 4 is a graph showing sensitivity measurement results, and Fig. 5 is a humidity FIG. 3 is a graph diagram showing measurement results of a dependence evaluation test.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 多孔体からなる基板の内部に固体電解質が含まれ、
基板の同一面上に複数の電極が設けられ、各極およびそ
の間を覆って固体電解質層が設けられ、基板の一部を水
に接触させるようにして用いられる電気化学式ガスセン
サ素子。
1 A solid electrolyte is contained inside a substrate made of a porous body,
An electrochemical gas sensor element in which a plurality of electrodes are provided on the same surface of a substrate, a solid electrolyte layer is provided covering each electrode and between the electrodes, and a portion of the substrate is brought into contact with water.
JP1337712A 1989-12-25 1989-12-25 Electrochemical gas sensor element Pending JPH03195963A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100892122B1 (en) * 2007-06-01 2009-04-09 (주)센코 Carbon monoxide gas sensor and method of manufacturing the same

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